CC BY
487
энергетика
УДК 621.316.72
Кирисов Игорь Геннадиевич, асист.
Овчаренко Татьяна Ивановна старш. препод.
Украинская инженерно - педагогическая академия, г. Харьков, Украина. ул. Университетская 16, г. Харьков, Украина, 61003
МИНИМИЗАЦИЯ ПОТЕРЬ В СИЛОВЫХ ТРАНСФОРМАТОРАХ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ
РЕЖИМА НАГРУЗКИ
В статье рассмотрены вопросы уменьшения потерь в силовых трансформаторах. Определены способы минимизации потерь в силовых трансформаторах, которые необходимо внедрять в практику эксплуатации.
Ключевые слова: система электроснабжения промышленных предприятий, потери в силовых трансформаторах, реактивная мощность.
УДК 621.316.72
Кирисов Ігор Геннадійович, асист.
Овчаренко Тетяна Іванівна старш. викл.
Українська інженерно - педагогічна академія, м. Харків,Україна. вул. Університетська 16, м. Харків, Україна, 61003
МІНІМІЗАЦІЯ ВТРАТ У СИЛОВИХ ТРАНСФОРМАТОРАХ ПРИ ЗМІНІ РЕЖИМУ
НАВАНТАЖЕННЯ
У статті розглянуті питання зменшення втрат в силових трансформаторах. Визначені способи мінімізації втрат в силових трансформаторах, які необхідно впроваджувати в практику експлуатації.
Ключові слова: система електропостачання промислових підприємств, втрати у силових трансформаторах, реактивна потужність
UDK 621.316.72
Kirisov Igor Gennadievich nssis.
Ovcharenko Tanyana Ivanovna, senior teacher
Ukrainian engineerno - pedagogical academy, Kharkov, Ukraine. Universitetskaya str. 16, Kharkov,Ukraine, 61003
MINIMIZATION OF LOSSES IN POWER TRANSFORMERS WITH CHANGING
LOAD CONDITIONS
This paper considers problems of reduction of losses in power transformers. It specifies ways to minimize losses in power transformers that should be implemented in operational practice.
Key words: industrial power supply system, losses in power transformers, reactive power.
Введение
Для повышения эффективности электропотребления необходимо снижение непроизводительных потерь электроэнергии в элементах систем электроснабжения (СЭС). Одним из путей решения этой проблемы является создание оптимального режима работы трансформаторных подстанций (ТП) при условии обеспечения надежного питания узла нагрузки.
Учитывая сложившуюся в современных условиях стабильную неравномерность суточных графиков электрических нагрузок, требующую изменения схемы питания узла нагрузки, рассмотрим возможные варианты переключений в зависимости от загрузки трансформаторов с целью экономии электроэнергии и определим функциональную зависимость потерь активной мощности трансформаторов при изменении электрической нагрузки.
Основная часть
Как известно, потери в трансформаторах в симметричном номинальном режиме складываются из потерь в стали и меди:
АР і = АРххі+АРКзі К2з , (1)
№6 (124) 2014 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ
49
энергетика
где АРхх ,АРкз потери х.х. и потери к.з. - справочные данные трансформаторов.
Кз - коэффициент загрузки І - го трансформатора;
Для большинства внутрицеховых систем электроснабжения характерно использование двухтрансформаторных подстанций (ПС), поэтому переход на режим работы с одним трансформатором в послеаварийном режиме требует анализа уровня надежности, предусмотрев возможные последствия полного погашения напряжения во внутрицеховой сети [1].
Суммарные потери двухтрансформаторной подстанции (Рис.1) складываются из потерь в трансформаторах мощностью Si и S2:
Zap = Zapххі + Zapы к2 з. (2)
Потери в оставшемся в работе трансформаторе в послеаварийном режиме определяются как потери при нагрузке Sn + S12:
АР= АРхх, + [(S,, + S,2)/S, ]2 • Ркз,. (3)
при одинаковой мощности трансформаторов, а при разных установленных мощностях нобходимо определить потери с учетом конкретных паспортных данных трансформатора, оставшегося в работе:
АР2= АРxx2 + [(S,, + S,2)/S2 ]2 • Ркз2 . (4)
Рис.1 Расчетная схема трансформаторной подстанции Si , S2 -мощность трансформаторов; Sn , Si2 - нагрузка трансформаторов
Из сопоставления потерь, определяемых по формулам (2) и (4), с учетом Sii = K1S1 и S12 = K2 S2 , где 0 < К1< 1 и 0 < К2< 1, получим:
Kl= (SsPxx2/Sr2P,x,K) - Кі/2Рк»(Ркз,№1- Р,,3'^S 1/S2) и (5)
К= (S2P-,/S^Pxx-K + КЯР^Рк,^^- P^S/Sj). (6)
На рис. 2 функции (5) и (6) изображены в виде кривых 1 и 2. При одинаковых мощностях трансформаторов S1= S2 формулы (5) и (6) упрощаются и график функции
К1= Рхх/2 Ркз К (7)
принимает вид, приведенный на рис. 3.
50
№6 (124) 2014 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ
энергетика
На рис. 2 показаны зоны нагрузок с оптимальным (по минимуму потерь электроэнергии) числом рабочих трансформаторов.
Зона Б является зоной наименьших потерь при переключении всей нагрузки на один трансформатор мощностью S1 или S2.Во всех остальных случаях оптимальной является работа двух трансформаторов.
Приведем пример расчета потерь при переключениях всей нагрузки на трансформатор меньшей и большей мощности и сравним их с потерями при работе двух трансформаторов.
Пример: S1=1600 кВ А Рхх1=3,3 кВт Ркз1=18 кВт Кзі =0,6
Нагрузка: S11= S1-R31=16000,6=960 кВ А
S2=2500 кВ А
Рхх2=4,6 кВт
Ркз2=25 кВт
К32 =0,2
Нагрузка: S12 = S2'R32=2500 0,2=500 кВ А
Рис.2. Зоны наименьших суммарных потерь мощности при различных нагрузках двух трансформаторов разной мощности (S1= 1600 кВ А, S2=2500 кВ А). Зоны А и Б - при подключении всей нагрузки к трансформатору меньшей и большей мощности.
Зона В - при подключении к обоим трансформаторам
Рис. 3. Зоны наименьших суммарных потерь мощности при различных нагрузках двух трансформаторов одинаковой мощности.
Зоны А - при работе двух трансформаторов.
Зона Б - при переключении всей нагрузки на один трансформатор
Потери активной мощности при переключении всей нагрузки на трансформатор меньшей мощности:
АР= АРххі+ [(S11 + S12)/Si ]2 • Ркзі= 3,3 + [(960 + 500)/1600]218 =18,5кВт
Потери активной мощности при переключении всей нагрузки на трансформатор большей мощности:
АР= АРхх2+ [(S11 + S12)/S2 ]2 • Ркз2= 4,6+ [(960 + 500)/2500 ]2 • 25 =13,1кВт,
точка б на рис.2.
Потери мощности при работе двух трансформаторов:
№6 (124) 2014 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ
51
энергетика
АР1 = 9,78 кВт АР2= 5,6 кВт
2АР=АР1+АР2=15,38 кВт.
Вывод: оптимальное число работающих трансформаторов в приведенном примере, обеспечивающих минимум потерь, - один трансформатор мощностью 2500 кВ-А при подключении всей нагрузки с коэффициентом загрузки Кз= 0,6.
Современное состояние использования трансформаторных мощностей свидетельствует о том, что их загрузка составляет в среднем не более 35 %. Это приводит к значительным потерям. Поэтому задача выбора оптимальных режимов работы трансформаторов является актуальной.
Оптимальная загрузка трансформаторов соответствует, как правило, максимальному значению КПД трансформатора:
П т = Р2/Рі=1- [( АРЭ1+АРЭ2+АРм )/(Р2+АРз1+АРз2+АРм)] = 1-АР'т/(Р2+АР'т), (8)
где Р1 - мощность, поступающая из сети;
Р2 - мощность, отдаваемая трансформатором во вторичную сеть,
Активная мощность на выходе трансформатора определяется по формуле:
Р2 Кз ^ н.тр " cosф, (9)
где ф. - угол сдвига фаз между напряжением U2 и током 12 на выходе трансформатора;
АРм=АРхх - магнитные потери, определяемые потерями на вихревые токи и потери на перемагничивание (гистерезис);
АРЭ1;АРЭ2 - электрические потери, связанные с нагревом первичной и вторичной обмоток.
АР'Т - приведенные потери активной мощности в трансформаторе.
Исследование зависимости удельных приведенных потерь мощности АР'Т /?ном.т от коэффициента загрузки трансформатора (рис.4) свидетельствует об интенсивном росте удельных потерь в трансформаторах(серия ТМ мощностью от 630 до 1600кВ-А) при низких коэффициентах загрузки. А работа трансформатора при КЗ ниже 0,3 неэкономична.
0,1 0,2 0,30,4 0,5 0j5Qt70,S 0,9 1 1,1 1£
Рис.4. Зависимость удельных приведенных потерь мощности АР'Т/S номт. в трансформаторах серии ТМ от коэффициента загрузки Кз.
52
№6 (124) 2014 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ
энергетика
Вывод: при эксплуатации систем промышленного электроснабжения следует стремиться к максимально возможному использованию установленных трансформаторных мощностей.
Влияние реактивных нагрузок на работу силовых трансформаторов
Передача реактивной мощности (РМ) вызывает потери активной мощности и энергии в элементах сети. Поэтому снижение перетоков РМ уменьшает потери активной мощности. Если в узле нагрузки РМ уменьшается на величину QKy, то потери активной мощности определяются по выражению:
i\P''=(Qp - Qv/R U2„ . (10)
Снижение потерь активной мощности вследствие уменьшения РМ составит:
ЗР = АР' - АР" =(2Qp-QKy - Q2kj) R / и2н. (11)
Из уравнения (10) видно ,что снижение потерь активной мощности зависит от степени компенсации РМ а = QKy / Qp .
Если в уравнение (11) подставить значение QKy = а■ Qp , то получим:
ЗР= Qp2- а(2 - а) R /UH2. (12)
Это выражение положено в основу установления зависимости изменения потерь активной мощности в элементах электрических сетей и удельных потерь АР''/АР' при различной степени компенсации РМ - а. Анализ этой зависимости показывает, что наибольшее снижение потерь активной мощности достигается при степени компенсации а=1 - полной компенсации.
Однако установка компенсирующих устройств (КУ) целесообразна в том случае, если эффект снижения потерь активной мощности и энергии при компенсации РМ (КРМ) будет больше приведенных затрат ,связанных с приобретением ,монтажом и эксплуатацией КУ:
Z3k = Эбр - Зк > 0 , (13)
где Эк - эффект КРМ;
Эбр - эффект снижения потерь активной мощности;
Зк - приведенные затраты на КУ.
Эффект снижения потерь активной мощности при КРМ определяется выражением:
Эбр = ЗР тР в,
где ЗР - снижения потерь активной мощности, кВт;
тр - среднее значение времени потерь от перетоков РМ, ч;
в - стоимость 1 кВт ч потерь активной электроэнергии, грн/ (кВт ч);
Затраты на установку и эксплуатацию КУ определяют:
З
K
QKy ТМАХ в
ку
(14)
(15)
где Qyy - мощность КУ, квар;
ТМАХ - годовое число часов использования максима нагрузки, ч/год; вку - стоимость 1 кварч, полученного от КУ, грн/(квар ч).
Степень КРМ, которая обеспечит максимальный эффект, определяется аналитически из уравнения [2]:
£Эк = Q2p^(2- а)Ятр в'/и2н - а^р ТмАх вр’.
Производная суммарного эффекта по степени компенсации:
№6 (124) 2014 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ
53
энергетика
dZ3K/da= Q2pR TpP'[(2- а)+ (- l)a]/U2H- Qj,-T^Pp'=0.
Упростив уравнение, получим:
Qp [2 Qp R-Трв' (1-a) /UV T,,„ вр' ]=0. (16)
Решив (16) относительно а, получим формулу:
a = 1 - Тмхвр'U2h/2Qp-R-XpP'. (17)
Умножив обе части (17) на Qp , получим:
QKy = Qp - TmaxPp 'U2h /2RTp-p' (18)
Это уравнение позволяет получить мощность КУ, которая при расчетной реактивной мощности Qp обеспечивает максимальную эффективность компенсации РМ [3].
Вывод: компенсация реактивной мощности снижает технологические потери электроэнергии в элементах распределительных сетей. Экономическая целесообразность компенсирующих устройств определяется сравнением эффекта снижения потерь активной мощности с приведенными затратами, связанными с приобретением, монтажом и эксплуатацией компенсирующих устройств.
Учет потерь в цеховых трансформаторах при некачественной электроэнергии Внедрение в промышленное производство современных технологических процессов, вызывающих несимметрию нагрузки (дугосталеплавление), искажение формы кривой напряжения (вентильные преобразователи), а также размах изменения напряжения (сварочное производство) снижает показатели качества электроэнергии (ПКЭЭ) и приводит к увеличению потерь мощности и электроэнергии в в элементах сети.
Для разработки мероприятий по снижению дополнительных потерь при некачественной электроэнергии, необходимо доступными для эксплуатационного персонала методами определить величину потерь мощности при несимметрии и несинусоидальности напряжения [4].
Дополнительные потери при несимметрии напряжения:
АРтрК2и= К22U (АРхх+АРкз/и2кз), (19)
где К2и - коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности икз - напряжения к.з., относительные единицы - справочные данные трансформатора; Дополнительные потери мощности при несинусоидальности напряжения:
(20)
где и - порядок гармоники,
Uu - напряжение u-ой гармоники,
Первое слагаемое выражения (20) - дополнительные потери х.х., второе -нагрузочные потери в том числе и от вихревых токов (0,05u ).
Как свидетельствуют расчеты и наблюдения, потери х. х. значительно ниже
нагрузочных (АРхх<<АРкз /и2кз), поэтому при расчете суммарных дополнительных потерь при несимметрии и несинусоидальности напряжения можно воспользоваться выражением:
54
№6 (124) 2014 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ
энергетика
_ Y1 1 +
ДРіз: = + К- / д ,— Vv 3 " ^rtfnp
I^z v^v , (21)
где К' =&Рк,/ Ц2 -5н.тр ;
К''=0,607ЛРк, /^2Sh.„,
^ для цеховых трансформаторов принимают равным 0,075.
Оптимизация потерь электроэнергии за счет внедрения современного
электрооборудования
Учитывая то, что в общей структуре затрат электроэнергии на её транспортирование и распределение часть потерь электроэнергии в трансформаторах превышает 20 %,требование к их снижению экономически обоснованы [5].
В настоящие время в промышленно развитых странах осваивают выпуск высоэффективных трансформаторов со сниженными потерями х.х. и нагрузочными
потерями. В Европе замена трансформаторов на современные обеспечивают экономию электроэнергии, равную 2 миллиардам евро.
В результате реализации мероприятий в европейском трасформаторостроительстве потери х.х. для условного трансформатора (напряжением 220 кВ мощностью 200 МВ-А) за последние 50лет снижены более чем втрое, а нагрузочные потери вдвое.
Потери х.х. приносят убытки в несколько раз больше, чем нагрузочные потери, составляя основную часть капитальных затрат. Убытки от потерь х.х. особенно существенны для трансформаторов малых мощностей (до 1000 кВ-А).
Снижения потерь х.х. достигается за счет:
- повышения качества электротехнической стали с повышенной магнитной проницаемостью со сниженными удельными потерями на перемагничивание и вихревые токи;
- проектирования сердечника трансформатора для работы с низким уровнем индуктивности;
- применения аморфных сталей, потери в которых в 3-4 раза меньше чем в обычных сталях;
- использования листовой стали со сниженной толщиной листа (до 0,18 мм).
Использование высокотемпературных сверхпроводниковых материалов дает
возможность существенного снижения нагрузочных потерь, массы трансформатора до 40 %, стоимости электрооборудования и существенного повышения эффективности передачи электроэнергии. Снижению нагрузочных потерь способствует использование медных проводов вместо алюминиевых.
Выводы
1. Минимизировать потери активной мощности в цеховых трансформаторах возможно путем оптимизации трансформаторных мощностей в нормальном и послеаварийном режимах.
2. Оптимальная КРМ определяется технико-экономическим сравнением вариантов
схем.
3. Снижение потерь активной мощности в силовых трансформаторах обеспечивается улучшением качества электроэнергии, а также обновлением трансформаторного парка, выполненного по высокоэффективным технологиям.
Список литературы
1. Дерзский В. Г. Выбор мероприятий по снижению потерь электроэнергии в распределительных сетях. / В. Г. Дерский, В. Ф. Скиба // Энергосберение Энергетика Энергоаудит, № 6, 2009. - С. 20-21.
2. Карпов Е. А. Особенности компенсации реактивных составляющих токов гармоник в электрических сетях с нелинейными нагрузками / Е. А.Карпов, В. А. Климчук // Тезисы докладов научно технической конференции. - Мариуполь, 1990. - С. 24.
№6 (124) 2014 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ
55
энергетика
3. Дерский В. Г. Моделирование задач энергосбережения в энергопередающих компаниях / В. Г. Дерский, В. Ф. Скиба // Енергетика та електрифікація, № 11, 2010. - С. 27.
4. Журавлев Д. В. Экономическая эффективность трансформаторно-реакторного устройства при повышении качества электрической энергии. /Д. В. Журавлев// Енергетика та електрифікація, № 8, 2013. - С. 20-21
5. Энергосберегающее оборудование. Восточноевропейский журнал передовых технологий, № 6, 2012. - С. 12.
References
1. Derskij V. G. Skiba V. F., (2009) Selection measures for reduction of energy losses in distribution networks. Еnergosberenie. Energy.Епє^у audit, [Vybor meropriyatiy po snizheniyu poter elektroenergii v raspredelitelnykh setyakh] No. 6, P. 20-21.
2. Karpov, E. A .(1990) Features compensation of reactive components of harmonic currents in electrical networks with nonlinear loads, [Osobennosti kompensatsii reaktivnykh sostavlyayushchikh tokov garmonik v elektricheskikh setyakh s nelineynymi nagruzkami] book of abstracts of scientific and technical conference. Mariupol, P. 24.
3. Derskij V. G. Skiba V. F., 2010 Modeling challenges of energy saving in energy transmission companies, [Modelirovaniye zadach energosberezheniya v energoperedayushchikh kompaniyakh] Energy the elektrifikacia, No.11, P. 27.
4. Zhuravlev D. V.(2013) Economic efficiency of transformer and reactor equipment while improving the quality of electric energy, [Ekonomicheskaya effektivnost transformatorno-reaktornogo ustroystva pri povyshenii kachestva elektricheskoy energii] nergy the elektrifikaciа, No. 8, P. 20-21.
5. Energy-saving equipment (2012) [Energosberegayushcheye oborudovaniye]. Eastern European Journal of advanced technologies, No. 6, p. 12.
Поступила в редакцию 05.06 2014 г.
56
№6 (124) 2014 ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ • ЭНЕРГЕТИКА • ЭНЕРГОАУДИТ
